專利名稱：一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法
技術領域：
本發明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法。
背景技術：
激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度等特點，作為燃燒合成的熱源具有易控制、非接觸、無污染、加熱及冷卻速率高、易于獲得非平衡相及多缺陷的結構、易合成具有某些特殊功能材料等優勢特性，因而廣泛用于金屬基復合材料的加工。激光誘導自蔓延高溫合成技術是利用激光的高能密度透過特定的介質(窗口)將待合成材料點燃，然后靠合成反應放出的潛熱維持自蔓延，最終獲得所需的材料。激光自蔓延燒結的主要特點有O明顯的節能效果，充分利用了原料的化學反應熱來供應后續反應所需要的熱量；2)可達到很高的反應溫度，瞬間溫度可以達到3000-4000°C，是制備特殊高溫材料的有效方法；3)由于反應溫度高，在反應過程中一些氣化溫度較低的材料會揮發，從而可以達到純化產物 的目的；4)工藝簡單，反應點火后可以自持續進行；5)產品中極有可能出現非平衡相或亞穩相，因而產品活性高，易于燒結。目前，由于金屬基復合材料其具有熔點高、密度低、熱傳導性良好、比強度高、抗氧化性高等一系列的優異性能，廣泛應用于制造高溫結構基體材料，特別是在航空航天領域、汽車工業、模具領域、軋輥領域以及制造功能梯度零件方面的應用。引入金屬基復合材料增強體強化的方法包括外部引入增強體和原位自生增強體兩大類，現有的制備鎳鋁基復合材料通常采用的方法有燃燒合成法、快速凝固法、噴霧沉積、粉末冶金法、反應熔滲、機械合金化、噴射成形法等。這些方法在制備過程中都經歷了增強體的外加混合過程，屬于部引入增強體，而這一過程必然會導致一定程度的顆粒表面污染，并且增強體多為顆粒或第二相硬質點，因此存在界面結合不佳，且存在增強體加入困難以及工藝復雜、成本昂貴和增強體易偏聚等缺點。
發明內容
本發明針對常規鎳鋁基復合材料在制備技術上存在的不足，提供一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法，通過在基體上原位自生形成陶瓷顆粒增強鎳鋁基體，獲得綜合性能更優秀的復合材料。為了實現發明目的，本發明的技術方案按照以下步驟進行
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni: Al=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質量O. 5-2wt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機上球磨4-6h，球磨速度100-200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用具有圓柱形型腔的壓坯模具，將混合粉料置于型腔內，利用壓桿在60-80KN的壓力下壓制成圓柱形壓還，壓還高度為12-18mm,相對密度為88% ；
(3)將壓坯置于數控機床上，數控機床和CO2激光加工機相連，調整數控機床主軸，使得激光束垂直照射時光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動CO2激光加工機，激光功率為900-1200W，激光照射時間為l(T20s，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，反應速度為5-8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結合成的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料。所述的鎳粉純度為99. 9wt %，粒度為200目；鋁粉的純度為99. 9 wt %，粒度為200目；鎢精礦石粉末含WO3 80wt%，余量為雜質。采用上述方法獲得的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料組織物相為Ni3Al金屬間化合物、Ni4W及Al2O3陶瓷相、Ni和Al的固溶體物相，其硬度為600-750HK，耐磨性是一般冶金方法獲得的NiAl金屬間化合物的I. 5-2倍。與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是
本發明的原理是以高能量密度激光為熱源，快速點燃壓坯，利用壓坯內自身放出的高能量引燃整個壓坯反應，且反應過程和速度容易控制，點燃后利用熔融鋁的強還原性能直接還原鎢礦石粉末中的WO3,生成單質W，高溫下的單質W和余量的Ni發生反應生成Ni4W相， 而熔融的Al在毛細力作用下迅速擴展，包圍新生成的Ni4W相，使其不能聚集長大，從而得到細小的WC顆粒并且彌散分布于基體中，其作為α-Al凝固時的異質形核核心，起到了強化基體的作用，而分布在基體表面的Al利用大氣中的氧生成另一種增強陶瓷相=Al2O3相。鎢精礦粉經過鋁熱還原反應出來的鎢元素是原位自生納米級復相陶瓷增強顆粒組元，對基體的硬度和耐磨有積極貢獻，其中的雜質為礦石中常見的雜質元素，如P含量約為0.4 wt %，S含量約為0.3 丨％等，這些雜質元素及其夾雜物不參與反應，可以做為控制自蔓延燃燒合成速度的稀釋劑，當加入鎢礦石粉末后，由于其雜質元素及其夾雜物不參與反應，對反應物料起到稀釋作用，因此可以通過加入鎢精礦石粉末含量來控制壓坯的自蔓延反應速度，使其自蔓延燃燒合成速度控制在6-8mm/s。上述激光誘導的自蔓延反應化學方程式為
金屬間化合物反應3Ni+Al=Ni3Al (I);
Al 熱還原反應 W03+2A1+=W+A1203 (2)；
自生陶瓷相反應W+4Ni=Ni4W (3)；
原位自生合成復合材料由于增強顆粒是在基體內原位生成的，所以形成清潔、無氧化的反應界面，顆粒分布更為均勻，同時生成成本低，通用性好，并能形成高致密度的復合材料，原位自生的陶瓷相Ni4W和Al2O3彌散分布在基體中，大幅度提高了復合材料的硬度及強度，同時，陶瓷增強相Ni4W和Al2O3間高韌性的鎳鋁固溶體及其生成的Ni3Al金屬間化合物讓復合材料具有一定的韌性，在航空航天、汽車工業的發動機葉片、活塞、輪機等中高溫領域中有著廣闊應用前景，極大程度地豐富了 NiAl基復合材料的制備工藝。本發明的合成方法實現了在一種基體上同時生成兩種以上的陶瓷增強相，其制備工藝先進，過程簡單，粉末利用率高，制造過程自蔓延合成速度能夠通過加入鎢精礦石粉末的多少來控制，生成過程沒有界面污染，鎳鋁基體和原位生成的增強顆粒之間結合牢固，增強相尺寸相對細小，分布均勻，材料的綜合性能得到了提高。本發明將原位自蔓延燃燒合成技術、礦物加工、粉末冶金結合在一起，使基體自身的反應和增強相的生成以及金屬基復合材料的制備結合在一起，明顯縮短了鎳鋁基復合材料的制備工藝流程，降低其制備成本，容易實現大規模生產，正是由于原位自生的增強陶瓷相使得鎳鋁金屬間化合物的高溫力學性能能得到了明顯的改善與提高。
圖I為本發明的壓坯模具示意 其中，I :脫豐旲座；2 :陰豐旲；3 :壓桿；
圖2為本發明實施例I制備的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的微觀組織SEM圖譜，放大倍數為2000倍；
其中，基體組織為Ni3Al金屬間化合物相和NiAl固溶體，白色突出條狀和樹枝狀為Ni4W及Al2O3陶瓷相；
圖3為本發明陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光誘導自蔓延燒結過程照片； 其中，(a)是壓坯燒結前；(b)是激光誘導壓坯發生自蔓延反應；(c)是反應完成。
具體實施例方式本發明實施例中采用粉末材料參數為鎢精礦石粉末含W03_80%wt%，其余為雜質，雜質穩定不與壓坯粉末發生化學反應；鎳粉200目，純度99% ;鋁粉200目，純度99%。本發明實施例球磨采用的是星型球磨機。本發明實施例采用的激光機為為HL-1500型無氦橫流CO2激光加工機，數控機床型號為PX1-SIE。本發明實施例中對鎳鋁基復合材料的力學性能測試是在WE-30型液壓萬能試驗機上進行的。實施例I
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni: Al=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質量O. 5wt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機上球磨4h，球磨速度IOOrpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用如圖I所示，具有圓柱形型腔的壓坯模具，由脫模座和陰模組成，將混合粉料置于型腔內，利用壓桿在60KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為12_，相對密度為88% ；
(3)將壓坯置于數控機床上，數控機床和CO2激光加工機相連，調整數控機床主軸，使得激光束垂直照射時光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動CO2激光加工機，激光功率為900W，激光照射時間為20s，如圖3所示，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，反應速度為5mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結合成的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料。獲得的鎳鋁復合材料平均硬度620HK，相對耐磨性I. 3。獲得的復合材料組織為條狀和樹枝狀組織NiAl金屬間化合物相+基體NiAl固溶體+ Ni4W及Al2O3陶瓷顆粒相,如圖2所示。實施例2
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni:A1=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質量lwt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機上球磨5h，球磨速度150rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用如圖I所示，具有圓柱形型腔的壓坯模具，包括脫模座和陰模，將混合粉料置于型腔內，利用壓桿在70KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為15_，相對密度為88% ；
(3)將壓坯置于數控機床上，數控機床和CO2激光加工機相連，調整數控機床主軸，使得激光束垂直照射時光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動CO2激光加工機，激光功率為1100W,激光照射時間為12s，如圖3所示，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，反應速度為7mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結合成的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料。獲得的鎳鋁復合材料平均硬度700HK，相對耐磨性I. 8。獲得的復合材料組織為條狀和樹枝狀組織NiAl金屬間化合物相+基體NiAl固溶體+ Ni4W及Al2O3陶瓷顆粒相。實施例3
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni:A1=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質量2wt%的鶴精礦 石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機上球磨6h，球磨速度200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用如圖I所示，具有圓柱形型腔的壓坯模具，包括脫模座和陰模，將混合粉料置于型腔內，利用壓桿在80KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為18mm，相對密度為88% ；
(3)將壓坯置于數控機床上，數控機床和CO2激光加工機相連，調整數控機床主軸，使得激光束垂直照射時光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動CO2激光加工機，激光功率為1200W，激光照射時間為10s，如圖3所示，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，反應速度為8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結合成的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料。獲得的鎳鋁復合材料平均硬度750HK，相對耐磨性2. 2。獲得的復合材料組織為條狀和樹枝狀組織NiAl金屬間化合物相+基體NiAl固溶體+ Ni4W及Al2O3陶瓷顆粒相。
權利要求
1.一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法，其特征在于按照以下步驟進行 (1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni: Al=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質量O. 5-2wt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機上球磨4-6h，球磨速度100-200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料； (2)采用具有圓柱形型腔的壓坯模具，將混合粉料置于型腔內，利用壓桿在60-80KN的壓力下壓制成圓柱形壓還，壓還高度為12-18mm,相對密度為88% ； (3)將壓坯置于數控機床上，數控機床和CO2激光加工機相連，調整數控機床主軸，使得激光束垂直照射時光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動CO2激光加工機，激光功率為900-1200W，激光照射時間為l(T20s，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，反應速度為5-8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到鎳鋁基復合材料。
2.根據權利要求I所述的一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法，其特征在于所述的鎳粉純度為99. 9wt %，粒度為200目；鋁粉的純度為99. 9 wt %，粒度為200目；鎢精礦石粉末含WO3 80wt%，余量為雜質。
全文摘要
本發明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法。本發明的技術方案步驟是將鎳粉、鋁粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入鎳鋁混合粉總質量0.5-2wt%的鎢精礦石粉末，進行球磨獲得混合均勻的混合粉料，將混合粉料壓制成圓柱形壓坯，將壓坯置于數控機床上，啟動CO2激光加工機，激光功率為900-1200W，激光照射時間為10~20s，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，得到激光燒結合成的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料。本發明使基體自身的反應和增強相的生成以及金屬基復合材料的制備結合在一起，由于原位自生的增強陶瓷相使得鎳鋁金屬間化合物的高溫力學性能能得到了明顯的改善與提高。
文檔編號C22C19/03GK102876926SQ20121036899
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者李剛, 胡文全, 安亞君, 羅崇輝 申請人:遼寧工程技術大學